郭強

(重慶市城市照明管理局，重慶 400020)

1 引言

音樂燈光表演起源于舞臺背景燈光，現(xiàn)今發(fā)展到戶外大型音樂燈光表演。香港“幻彩詠香江”、重慶“朝天揚帆”、陜西鳳縣“鳳舞歡歌”等大型戶外音樂燈光表演以其震撼的聲光效果吸引了大量的游客，得到了廣泛的關注［1］。

國內(nèi)外音樂燈光表演正處于發(fā)展探索階段，音樂燈光表演方案的設計更是一個難點。目前，其設計仍采用傳統(tǒng)的舞臺燈光設計模式:燈光師根據(jù)表演要求，用燈控臺設計相應動作方案。設計一套音樂燈光表演方案需要音樂專家，燈光設計師，自控專家長時間的合作，效率低，而且表演方案單一，這種方式不適合大型戶外燈光表演的設計。鑒于傳統(tǒng)設計模式的不足，在重慶“朝天揚帆”、陜西鳳縣“鳳舞歡歌”大型動感音樂燈光表演工程項目設計調(diào)試過程中，筆者所在團隊設計開發(fā)了一個基于音樂情感識別的燈光表演方案計算機輔助設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)燈控臺的所有功能，更重要的是還可以通過識別音樂的情感特征，從多個層次上匹配燈光動作，實現(xiàn)音樂燈光表演方案計算機自動生成。

2 系統(tǒng)設計原理

在該系統(tǒng)中，首先進行音樂和燈光的情感特征識別和分析，然后根據(jù)兩者的情感特征，進行音樂燈光表演動作專家匹配，最終得到相應的音樂燈光表演方案。系統(tǒng)設計原理見圖1。

本系統(tǒng)主要由三個部分組成:

(1)音樂情感識別:首先提取出音樂特征，然后構(gòu)建出其特征空間，通過模糊分類器進行音樂情感識別，得到音樂的情感識別結(jié)果。

(2)燈光情感分析:結(jié)合燈具及布局信息，通過對場景的顏色、造型及動作變換進行情感分析，得到這些燈光動作場景的情感特征。

圖1 燈光表演方案設計原理圖

(3)音樂—燈光動作專家匹配:這一部分主要是實現(xiàn)將音樂與燈光動作場景的多層次專家匹配。這種匹配是指根據(jù)情感為各個MIDI音樂樂句找到合適的燈光動作序列。

下面將從以上三個方面進行詳細分析。

3 音樂情感識別

MIDI文件是音樂信號在電子樂器之間傳輸?shù)臉藴?，包括硬件接口標準以及電子音樂信號在不同硬件之間的異步串行傳輸協(xié)議。MIDI格式的音樂文件記錄了音樂的全部樂譜和演奏的全過程［2］。本文結(jié)合燈光表演的特點，選取MIDI音樂文件作為識別對象。

音樂的內(nèi)涵包含三個層次:基本特征、復雜特征和總體特征?；咎卣靼ㄋ俣?、調(diào)性、調(diào)號、節(jié)拍、音色、音量，以及音符的音高、力度和音長等。復雜特征包括節(jié)奏、旋律和和聲?？傮w特征包括曲式結(jié)構(gòu)、音樂風格和情感內(nèi)涵［3］?；咎卣鞫伎梢詮腗IDI音樂文件中直接獲取，復雜特征需要在音樂基本特征的基礎上進一步分析總結(jié)獲得，而音樂總體特征必須在基本特征和復雜特征的基礎上，并利用一定的算法和相關音樂知識，以全局的角度來進行探討。音樂情感識別流程如圖2所示。

3.1 主音軌定位

由于MIDI為多音軌形式，主音軌包含了其主要特征，根據(jù)音樂燈光表演的特點，只需要保證燈光與音樂的主要因素配合即可獲得很好的表演效果?？梢娭饕糗壎ㄎ皇菢O為關鍵的一步。

圖2 音樂情感識別流程圖

彭瓊等對音樂音高進行分析統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)主音軌的音程主要都集中在0～6度之間［4］，這點是符合聲樂原理的，但是她僅將音程作為主音軌的判據(jù)是不充分的。筆者通過相關實驗發(fā)現(xiàn)這種方法的準確度僅對一部分音樂有效。根據(jù)音樂樂理，主音軌和伴奏音軌主要區(qū)別體現(xiàn)在音程、音量、音高、力度和左右聲道平衡度等幾個方面，在大量的試驗數(shù)據(jù)分析的基礎上，我們提出了一種基于音軌特征量的主音軌定位算法。

首先對各音軌的這些特征進行歸一化處理，得到相應的特征量。

音量特征量:

TVt=Volumet為音量。

左右聲道平衡度特征量:

Tbt=，Balancet為音軌平衡度。

力度特征量:

Tit=為音符力度值，n為音軌音符個數(shù)。

然后根據(jù)各個特征量的重要性來確定其權重。由樂理知識可知，比如音軌總長小于各音軌長度平均值一半、音軌音符個數(shù)小于各音軌音符個數(shù)平均值3/4的都不可能為主音軌。這樣可以排除一些明顯不是主音軌的音軌，也提高了定位的準確性。

最后將各特征量進行加權累加

式中Trt——音軌 t的加權特征值;

KT，KV，KB，K1，KP—— 分別為各特征量的加權系數(shù)。

加權特征值Trt最大的音軌為主音軌。經(jīng)過對300多首MIDI音樂進行分析統(tǒng)計，97.8%都能準確地提取出主音軌。

3.2 樂句劃分

樂句是音樂的基本結(jié)構(gòu)單位，具有獨立的情感語義。在燈光表演中，以樂句作為基本設計單元顯得比較合理。在曲式分析理論中，劃分句子的標志是“句讀”。然而在MIDI音樂中沒有句讀標志，只能根據(jù)音樂基本特征來劃分樂句。在曲調(diào)上有明顯的間歇或結(jié)束感，或則是在和聲上有明確的終止，都可作為劃分樂句的依據(jù)。在大量實驗的基礎上，我們總結(jié)了幾條實用的劃分依據(jù)，其流程如圖3。

圖3 樂句劃分流程圖

① 休止符/長音規(guī)則。休止符一般為樂句結(jié)束，而MIDI音樂在原始音符表中只有實在的音符而沒有休止符，它表現(xiàn)為在一定的時間范圍內(nèi)音軌上沒有任何音處于打開狀態(tài)，需要監(jiān)視音軌上音符的狀態(tài)便來確定休止符;長音上的停留也經(jīng)常實樂句的結(jié)束。因此，這將作為一條主要劃分規(guī)則。

②速度規(guī)則。速度的改變意味著音樂情感的變化，可視為樂句分割的標志。

③音區(qū)/音強規(guī)則，音區(qū)和音強的變化也傳達了另一個樂句的開始。

在上面3條規(guī)則當中，速度具有最高的優(yōu)先級;長音/休止符規(guī)則次之;音區(qū)音強規(guī)則優(yōu)先級最低。每個規(guī)則觸發(fā)后，為保證劃分的準確性，都需要進行樂句長度檢查。由樂理知識可知，樂句的長度是不固定的，還需要根據(jù)音樂的風格和速度來確定。

3.3 音樂情感識別

目前已有多位專家學者提出情感模型的分類機制，如 Hevner、Thayer、Tellegen等人。Hevner情感模型得到了最廣泛的認可，她認為音樂本身便隱含著情感意義，藉由實驗結(jié)果，將音樂情感歸納為八類代表性情感語匯:圣神、悲傷、向往、抒情、輕盈、快樂、熱情、生機。本系統(tǒng)也是在Hevner情感模型的基礎上進行的。

音樂情感通過其基本特征表現(xiàn)出來，如快速給人以活潑、明快的感覺，而慢速就會獲得優(yōu)雅、閑適的效果。但各個特征卻具有不一樣的重要性。Hevner證明，影響音樂情感反應較為直接的因素次序為:速度、調(diào)式、音區(qū)，其他因素諸如和聲、節(jié)奏、旋律進行方向則次之。本文在綜合各方面的情況下，將音樂速度、調(diào)式、音區(qū)、節(jié)拍、力度和音色作為音樂情感識別考慮的主要因素，如表1所示。

表1 音樂情感模式

4 燈光情感分析

燈光具有四個可控的屬性:亮度、色彩、分布和運動變化。由于光的種種狀態(tài)和光的變化以及光的色彩，都會引起觀眾心理和感情的變化，單是舞臺上光的漸隱漸顯，就能造成不同的氣氛而引起不同的情感。運用燈光的這些屬性可達到四個目的:清晰度、組合、形狀顯示和氣氛。如圖4所示，本文主要從顏色、造型和動作三個方面探索燈光的情感內(nèi)涵。

圖4 燈光情感分析原理圖

4.1 燈光顏色的情感內(nèi)涵

燈的有色光常被分為兩大類:寒色光和暖色光。寒色光以藍色系為主，暖色光則偏黃或偏紅，合適地運用色光，不但可產(chǎn)生美的效果，而且還可烘托出不同的藝術氛圍和作品所要表現(xiàn)的思想。燈光顏色情感內(nèi)涵如表2所示。

表2 燈光顏色情感內(nèi)涵

一個作品必然有一個基調(diào)，如多運用紅光突出熱烈火爆，運用藍光襯托安靜、委婉、深情。當這個基調(diào)定了，其他的燈都圍繞著去安排運用，也就是說，每一場節(jié)目的色調(diào)原則應以一個基本顏色為主，其他顏色為輔，體現(xiàn)出起伏感，在色調(diào)的搭配上要恰到好處，冷暖流色調(diào)變化同顏色飽和度變化要恰當。

4.2 燈光造型的情感內(nèi)涵

城市夜景在燈光映射下，這就很自然地表現(xiàn)出光影效果，而燈光的光通量、光強、位置和方向使夜景表現(xiàn)出明暗、濃淡、輪廓、遠近等受光狀態(tài)，從而起到造型作用。靈活的運用燈光，調(diào)整它的位置、方向、光亮和光色等，就可以在空間形成不同的表現(xiàn)力。

表3 燈光造型情感內(nèi)涵

在音樂燈光表演中，燈光造型的多少和質(zhì)量將直接影響燈光表演效果。需要根據(jù)燈具的特點及其在現(xiàn)場安裝布局，設計出盡可能多的燈光造型，并利用這些造型衍生出相應的動態(tài)和靜態(tài)場景。

4.3 燈光動作的情感內(nèi)涵

燈光表演所追求的是產(chǎn)生強烈情感交融的燈光藝術效果。這個效果的體現(xiàn)是通過燈光的群體隨著音樂的韻律和情感的變化，而有序的、有意義的運動和亮滅組合來實現(xiàn)。它可以是翻滾的浪，劃動的槳，旋轉(zhuǎn)的輪，拂面的風，交爍的星，綻開的花，還可以是各種幾何圖形的趣味變化。通過這些造型和動作的交織變換，將反映出強烈的動感、時代韻律的歡快、似行云流水的流暢，以及夢幻般的朦朧感。

5 音樂—燈光動作專家匹配

通過前面設計搭建的音樂情感識別系統(tǒng)，計算機已自動將整首樂曲分成若干樂句，并分析出每一樂句所表達的基本感情色彩。同時根據(jù)表演現(xiàn)場的城市景觀、燈具及其布局特點，我們也為各個燈光場景標定了其情感特點。接下來將是根據(jù)音樂的情感識別結(jié)果匹配能夠表達其內(nèi)涵情感的燈光動作，實現(xiàn)音樂燈光表演方案的自動設計。結(jié)合音樂的特點，主要進行結(jié)構(gòu)匹配，樂句匹配和音符匹配三個層次上的設計，如圖5所示。首先是結(jié)構(gòu)匹配確定燈光的立體結(jié)構(gòu)，接下來以樂句匹配基準，然后樂句中在補充音符匹配，點面結(jié)合，以保證音樂燈光表演的效果。

圖5 燈光動作匹配原理圖

結(jié)構(gòu)匹配是指根據(jù)音樂的結(jié)構(gòu)配置燈光的表演結(jié)構(gòu)。MIDI音樂包含主音軌和伴奏音軌，每首音樂也有前奏、間奏、主旋律、副旋律等部分組成。燈光也因燈具的特性和布局造型分成不同的部分?？梢詫艄獾牧Ⅲw結(jié)構(gòu)對應音樂的層次，體現(xiàn)出音樂燈光表演的多層次、高立體的藝術效果。

樂句匹配是指根據(jù)音樂燈光情感的對應關系，為各樂句匹配相應的燈光表演動作［6］。比如熱烈和充滿激情的音樂，就配以暖色燈光場景，而對小調(diào)婉約的音樂，可用冷色燈光場景，即依據(jù)音樂的情緒選擇燈光的色調(diào)。

音符匹配是指音樂特殊音符 (高音、長音、重音)匹配一些特殊的燈光動作。我們可以用燈光的時值、亮度、顏色和類別的變化來體現(xiàn)音符的音長、音強、音高和音色的變化。在視覺形象和聽覺形象和諧統(tǒng)一基礎上，重點突出音樂的關鍵點。

通過以上匹配規(guī)則，以音樂時間為主軸確定參演燈具及其動作場景，形成與音樂相對應的燈光動作序列，如圖6所示。如果表演效果不滿意，還可以進行認為修改，最終實現(xiàn)音樂燈光表演聲光同步，在物理空間上體現(xiàn)動作的層次感、連貫性及多樣性，以展現(xiàn)燈光藝術的無窮魅力。

圖6 音樂—燈光動作匹配結(jié)論畫面

6 結(jié)束語

本文討論了MIDI音樂的情感特征識別以及燈光的情感體現(xiàn)。系統(tǒng)以音樂燈光情感為核心，進行結(jié)構(gòu)、樂句和音符三個層次匹配，自動設計出對應的音樂燈光表演方案。該系統(tǒng)已在多個音樂燈光表演項目設計中應用，該系統(tǒng)具有很強的推廣價值。

［1］韓興連，林景棟，覃曾鋒.基于分散控制的智能燈光控制系統(tǒng) ［J］.照明工程學報，2008(3)

［2］范建軍.MIDI消息和標準 MIDI文件格式剖析 ［J］.咸寧師專學報，第22卷第3期，2002

［3］謝嘉幸.音樂分析 ［M］.北京:高等教育出版社，2000

［4］彭瓊，支琤.計算機自動識別音樂情感的關鍵技術研究 ［J］.電聲基礎，第32卷第4期，2008

［5］孫守遷，王鑫等.音樂情感的語言值計算模型研究［J］.北京郵電大學學報，第29卷增刊，2006

［6］覃曾鋒.基于音樂特征識別的音樂燈光輔助設計系統(tǒng)［D］.重慶:重慶大學，2009